表面微溝槽對Al/CFRP膠結性能的影響

胡志清，鄭會會，徐亞男，張春玲，黨停停

(1.吉林大學 輥鍛工藝研究所 長春 130022；2.吉林大學 材料科學與工程學院 長春 130022)

0 引 言

由于復合材料具有質量輕、比強度高、比模量高、耐疲勞、減震性好以及耐化學腐蝕等優點，在汽車、飛機和船舶制造領域應用廣泛。但是由于復合材料耐熱性低、表面硬度低以及存在老化等問題，因此在結構設計和制造過程中，必須采用復合材料和金屬混合使用，充分發揮各自優勢。復合材料和金屬材料的混合使用會涉及到相互連接問題，采用膠結是一種連接方式，對于膠結結構，影響其強度的因素相對較多。一般來講主要包括兩大因素：結構設計因素和膠結工藝因素。結構設計因素主要考慮被粘體材料屬性、幾何參數、膠層厚度等；膠結工藝因素有固化溫度、表面處理等[1]。

對于金屬和復合材料的單搭膠結接頭的破壞類型主要分為4種：界面破壞、膠層內聚破壞、混合破壞和被粘體破壞，被粘體破壞是研究者期望的理想破壞類型，因為該破壞類型能充分發揮被粘體材料的強度作用。然而，多數實例表面膠結接頭的破壞類型是混合破壞，意味著被粘體表面處理需要進一步提高[2]。為此科學家針對被粘體表面處理來增強膠結強度做了大量的研究工作。Petrie[3]認為膠結界面粗糙度能增強膠結強度，因為它能增加膠結面積和機械自鎖。然而，Pinto[4]認為對于低表面能的金屬被粘體即使提高其表面粗糙度也不會增強其接頭膠結強度。Couvrat[5]研究表明基體表面粗糙度適中，且膠結過程中沒有氣體截留在界面，能夠有效增強膠結強度；如果粗糙度過大會產生應力集中和膠黏劑浸潤效果較差，導致接頭膠結強度降低。Arenas等[6]利用砂紙、噴砂等方法對被粘體接頭表面進行機械處理，研究被粘體表面光潔度對膠結強度的影響，實驗結果表明：經過噴砂處理的鋁合金表面和砂紙打磨的碳纖維搭接具有最高的剪切強度。da Silva等[7]對搭接件金屬表面進行劃痕處理，研究金屬表面劃痕對搭接強度的影響，實驗結果表明：劃痕深度和劃痕形貌特征對粘接強度起到一定的效果。Reina等[8]基于試驗得出：對被粘體表面進行光潔度處理，會發生物理化學變化，影響被粘體的表面能和潤濕性進而影響接頭強度。Sancaktar[9]、Oterkus[10]等通過改變膠結件搭接接頭的幾何形貌特征，如加工凹槽、增加斜切角度，能有效減小應力峰值和增加接頭粘接強度。Reis等[11]分析了膠結件材料屬性對接頭拉伸剪切性能的影響，結果表明：膠結件剛度越高，接頭性能越好。Davis[12]、Ye[13]等提出在膠結件表面添加涂層的方法來提高接頭的粘接強度。郝華等[14]利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線電子能譜(XPS)及接觸角測量儀分析了兩種碳纖維表面微結構對界面粘接性能的影響，研究表明MT700C表面具有微溝槽，能增強其與樹脂材料的接觸面積，進而增強兩者的嚙合強度。黃玉東等[15]采用電化學方法和射線輻射技術對碳纖維進行表面改性處理，對比分析碳纖維改性前后復合材料界面性質的改變，闡明了碳纖維表面改性對復合材料界面性能的影響規律。總之，對被粘體搭接界面進行表面處理對膠結強度影響明顯。

本文以鋁合金5052和CFRP異質單搭膠結接頭為研究對象，建立光潔表面和帶有溝槽形貌特征的Al/CFRP單搭接頭數值模擬模型，分析光潔表面和微溝槽表面鋁合金分別與CFRP搭接后的膠結強度，同時探討鋁合金表面帶有不同微溝槽深度對膠結強度的影響，最后通過試驗與數值模擬結果對比分析研究了膠結強度隨鋁合金表面微溝槽深度的變化規律。

1 材料與數值模擬

被粘體材料采用5052鋁合金和碳纖維增強復合材料(CFRP)[16,17]，5052鋁合金的密度為2.7 g/cm3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為75 MPa。CFRP參數如下：E1=58.9 GPa，E2=52.1 GPa，E3=11.2 GPa，G12=3.71 GPa，G23=4.01 GPa，G31=3.87 GPa，v12=0.048，v13=0.442，v23=0.460。膠黏劑采用AV138/HV998環氧AB膠，該膠具有低揮發性、耐腐蝕、耐高溫和適用性廣的優良特點，其材料參數如下：膠層材料為AV138/HV998，彈性模量為4.89 GPa，剪切模量為1.56 GPa，泊松比為0.35，Ⅰ型、Ⅱ型裂紋的GIC分別為365.3、547.2 N/m，CI分別為36.5、30.6 MPa[1]。

模型尺寸如圖1所示，鋁合金和CFRP的長度L、寬度a相同,分別為L=10 mm、a=1.1 mm；CFRP、鋁合金的厚度分別為h1=1 mm、h2=2 mm，搭接長度為1.25 mm。膠層溝槽特征為等腰梯形，各邊尺寸分別為b=0.3 mm，c=0.5 mm，d=1.1 mm，e=0.1 mm，h為變量，設定為0.1、0.3和0.5 mm。因主要研究鋁合金和CFRP界面的脫膠現象，所以對CFRP進行整體建模，鋁合金和CFRP的單元類型選擇C3D8R，單元數量分別為7488個和3520個；膠層單元類型選擇COH3D8八節點三維粘結單元，單元數量為143個，在厚度方向上只有一個Cohesive單元。搭接區的應力分布為重點研究對象，在進行模型網格劃分時對該區域進行了如圖1所示網格細化處理。圖2為仿真模型邊界條件，位移控制為數值模擬加載條件，CFRP左側全約束，鋁合金右側約束Y、Z方向上的自由度，在右端面沿X方向施加位移，設定加載位移為搭接長度25%時接頭完全失效。

圖1搭接數值模擬模型
Fig.1Finiteelementmodelofsingle-lapjoints

圖2 仿真模型邊界條件Fig.2 Boundary condition of finite element model

2 結果與討論

2.1 光面和微溝槽表面鋁合金與CFRP接頭膠結性能對比

對于Al/CFRP異質材料單搭接接頭，被粘體鋁合金表面是否帶有微溝槽，將影響膠結接頭中膠黏劑和鋁合金的附著面積、膠層幾何形狀等，在某種程度上會影響膠結接頭的膠結性能，因此，本文以鋁合金搭接面微溝槽深度為研究變量，對比分析光面和微溝槽面鋁合金與CFRP的膠結性能。圖3給出了關于光潔表面與微溝槽表面膠結拉伸數值模擬結果，從圖3中可以看出，微溝槽表面鋁合金與CFRP的膠結接頭的最大等效應力較光潔表面膠結接頭最大等效應力提高了58.7 MPa。

圖4為光面鋁合金對應膠層剪切應力和軸向應力分布，可以看出，膠層應力呈非對稱分布，這是由于鋁合金和CFRP的材料屬性不同導致的。圖4(a)表明，搭接接頭的剪切應力從鋁合金的自由端到CFRP的自由端逐漸升高；圖4(b)表明，膠層的軸向應力兩端大，中間小且為零值，說明膠層的軸向應力從端部逐漸向中間移動；而且CFRP自由端的軸向應力遠大于非自由端。圖5為微溝槽表面鋁合金對應膠層剪切應力和軸向應力分布。對于帶溝槽的搭接表面，僅以溝槽內的膠層為研究對象。圖5(a)表明，溝槽內膠層的剪切應力中間大、兩端小。圖5(b)中溝槽內的軸向應力，同樣顯示為兩端大中間小的分布。通過圖4、圖5膠層初始失效狀態應力值對比，可以看出微溝槽表面鋁合金與CFRP接頭膠層的剪切應力和軸向應力相比光面膠層整體應力值偏大，說明溝槽內膠層可以承受較大的偏心載荷和拉伸作用力。

圖3 光潔表面膠結與微溝槽表面膠結模擬結果Fig.3 Numerical results of Mises stresses on smoothsurface and surface with grooves

圖4 光板膠層應力分布Fig.4 Distribution of adhesive stress with smooth surface

圖5 溝槽板膠層應力分布Fig.5 Distribution of adhesive stress with groove surface

2.2 不同深度微溝槽結構對接頭的影響

從圖6可以看出，對于表面帶有不同深度微溝槽鋁合金與CFRP的膠結接頭，靠近膠層的被粘體表面應力較大，而且，接頭的等效應力隨微溝槽深度的增加而增大。

圖6 表面帶有不同微溝槽的單搭接頭的應力變化Fig.6 Mises stress of joints with different height grooves

圖7為不同溝槽深度下溝槽內膠層的剪切應力和軸向應力變化曲線。從圖7(a)中可以看出，對于初始失效狀態下膠層的剪應力，溝槽深度越深，膠層的剪切應力越小，因為溝槽內膠層與非溝槽膠層有一定的厚度差，當厚度差較大時，非溝槽部分對應的薄膠層剪切應力達到失效值而溝槽內的厚膠層仍處于較小的應力狀態。從圖7(b)中可以看出，膠層端部軸向應力較大，且隨著溝槽深度的增加，膠層的軸向應力增大，因為對于膠層失效一般從端部開始，溝槽深度越深，膠層厚度越厚，粘附面積越大，因此所需的軸向應力越大。

圖7 溝槽內膠層剪切力和軸向應力變化曲線Fig.7 Adhesive shear stress curves and axial stressinside grooves

3 試驗驗證

3.1 實驗過程

圖8(a)為自主設計的微溝槽輥軋設備，下工作輥為微溝槽成形輥，可根據需要進行更換；位移傳感器可測量工作輥下壓量，從而控制微溝槽的成形深度，應用該設備在5052鋁合金表面軋制不同深度的微溝槽，鋁合金板材切割成尺寸為100 mm×25 mm×2 mm試驗件。鋁合金試件幾何形貌特征如圖8(b)所示。另一側被粘體材料為CFRP，膠結膠采用了AV138/HV998環氧AB膠，膠結后的試件如圖8(c)所示。

為了確保膠結的穩定性，降低試件膠結強度的離散性，確保試驗結果的可靠，對接頭膠結部分采用了如圖9所示的處理過程。

圖8 微溝槽輥壓成形裝置及試驗樣件Fig.8 Rolling equipment for forming micro/macrogrooves on metal surface

3.2 試驗與仿真結果對比

圖 10為表面帶有不同深度微溝槽鋁合金與CFRP接頭斷裂后的試驗結果。圖11 給出了不同深度微溝槽膠結接頭拉伸試驗載荷變化曲線，從圖11中可以看出，隨著鋁合金表面微溝槽深度由0.1 mm增大到0.5 mm，破壞載荷不斷增大，結果表明：鋁合金表面微溝槽能有效加強接頭粘接強度，而且同時隨著微溝槽深度的增加而增大。

圖12為表面帶有不同深度微溝槽鋁合金與CFRP接頭的試驗與數值模擬結果力-位移曲線對比圖。從圖12中可以看出，試驗與數值模擬結果曲線基本一致，且3次試驗結果的離散性較小，表明內聚力單元對膠結強度模擬的有效性及試驗結果的可靠性。

圖9 膠結試驗流程Fig.9 Process of adhesive test specimen

圖10 為不同深度微溝槽接頭拉斷試驗結果Fig.10 Experimental results of adhesive jointstensile sheer test

圖11 不同深度微溝槽膠結接頭拉伸試驗載荷變化Fig.11 Tensile test load of adhesive joints with differentgroove depths

圖12 不同溝槽深度試驗與仿真結果力-位移曲線對比Fig.12 Experimental and numerical results of differentgroove depths force-displacement curve comparison

圖13給出了鋁合金表面微溝槽深度和接頭粘接強度的關系曲線，從圖13中可以看出,數值模擬結果與試驗結果趨于一致，都是隨著溝槽深度的增加，膠結接頭破壞載荷不斷升高，但是隨著溝槽深度的增加，破壞載荷增大的趨勢減緩了；其次，數值模擬的破壞載荷要高于實際的試驗結果，主要是因為粘接過程受環境條件影響，且數值模擬過程中碳纖維材料和鋁合金材料都被假設成非變形體，而實際上，在拉伸過程中基體隨著拉伸力的增大而不斷發生變化，該變化對試驗結果有一定的影響。隨著鋁合金表面微溝槽深度增大，接頭膠結強度的強化效果趨緩，這是由于膠填充性較低和膠層氣泡增多導致的。

圖13 溝槽深度對膠結強度的影響Fig.13 Effect of groove depth on adhesive strength

4 結 論

(1)膠結接頭的膠結強度取決于板材剝離剪應力的大小，軸向應力對膠結強度影響較小。

(2)帶有微溝槽表面與CFRP的膠結強度高于光潔表面與CFRP的膠結強度。

(3)隨著微溝槽深度增大，膠結強度逐漸增強，但隨著深度逐漸增大，膠結強度增強趨緩。

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